微震活动对岩质开挖边坡影响研究

龚琳惠，文排科，唐 波,4，朱 娅

(1.贵州省务川自治县公路管理所，贵州 务川 564300；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；4. 贵州省仁怀市水务局，贵州 仁怀 564500)



微震活动对岩质开挖边坡影响研究

龚琳惠1, 2，文排科3，唐 波3,4，朱 娅2

(1.贵州省务川自治县公路管理所，贵州 务川 564300；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；4. 贵州省仁怀市水务局，贵州 仁怀 564500)

针对贵州省贵安新区清杨路某岩质开挖边坡，为揭示其在开挖过程中内部岩体微震活动的影响，以岩石破裂过程分析系统RFPA2D-SRM为研究手段，分析了静应力作用下的边坡失稳破坏机制；并采用IMS微震设备建立了爆破震动下的边坡微震监测系统。研究结果表明：静应力作用下边坡具有较高的稳定系数；爆破诱发了边坡内部岩体呈长条带分布的大量微震事件产生，最大位移为2.56×10-4m，出现在四级台阶岩体内部，RFPA模拟出的潜在滑移面与微震事件空间分布特征整体上具有良好的一致性。

道路工程；开挖边坡；爆破震动；数值模拟；微震监测

0 引 言

边坡稳定性研究一直以来都是岩土工程界研究的热点和难点。从目前边坡现场监测手段来看，主要分为边坡表面监测与坡体内部岩体监测。坡表大地测量法、GPS监测、红外遥感监测法等已能实现较好的外观监测。坡体内部监测手段主要有钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等，这些技术大都是预先在岩体内部不良地质或不确定地质区域埋设监测仪器，通过监测岩体在施工和运行过程中的变形特征实现对圈定区域岩体的稳定性判断，然而却很难动态实时地对边坡内部微破裂诱发潜在失稳区域提前给出预警[1-4]。

国内外研究表明，岩质边坡破坏失稳与其内部岩体微震活动有密切关系，微震活动是岩质边坡发生破坏的前兆[5]。利用微震监测仪器，在发生微震活动的岩体区域内布设传感器，探测震源所发出的弹性波，确定发生震源的位置及微震活动的强弱和频率，判断潜在的岩体失稳活动规律，便可实现其稳定性预测预报。该技术对岩体的应力集中、裂隙发展、摩擦滑动尤为敏感，能早期发现崩滑体，并能预测其滑动位置和崩滑体发展趋势，为防止失稳采取预防措施赢得了时间[6-7]。微震监测技术作为动态监测方法，具有远距离、三维、实时的特点，已广泛应用于隧道围岩稳定性、地下矿山地压、大型地下油库安全、水利工程高陡边坡稳定性的监测等[8]。目前，应用该技术对公路岩质边坡实施监测研究还比较少，有必要开展这方面的研究。

笔者以贵安新区清杨路第四标段一公路岩质开挖边坡为例，选取边坡典型剖面进行静应力作用下的边坡失稳破坏数值模拟分析；建立边坡现场微震监测系统，监测边坡在施工过程中现场路面爆破震动对其内部岩体的损伤程度；并对比分析现场监测与数值模拟的研究结果，验证微震监测技术应用在公路岩质边坡稳定性监测中的可行性。

1 工程背景

贵安新区清杨路第四标段一路堑岩质边坡处于施工末期，受周围路面爆破震动影响较大。边坡所在具体位置桩号为K14+850 m左幅，边坡工程地质条件较复杂，内部节理裂隙较发育，其中J1(107°∠42°)、J2(105°∠38°)、J3(110°∠40°)在边坡上将构成外倾结构面，对边坡影响较大。边坡顶部有少量回填土覆盖，高程1 306 m以上为安顺组强风化白云岩，以下为中风化白云岩，包含3层厚度约为0.5 m的泥质白云岩软弱夹层，层理构造明显。边坡高度为42 m，边坡走向为190°，设计坡度63°，由5级台阶组成，从上往下台阶高度依次为5，7，9，10，11 m，边坡工程地质剖面见图1。

图1 边坡工程地质剖面

2 静应力作用下边坡RFPA模拟分析

2.1 数值模型的建立

RFPA(Realistic Failure Process Analysis)系统是一个基于有限元应力分析模块和微观单元破坏分析模块的岩石变形、破裂过程研究的新型数值分析工具。其将材料介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型，假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律(如weibull分布)，由此通过考虑岩石非均匀性，将复杂的宏观非线性问题转化成简单的细观线性问题[9]。RFPA2D-SRM二维强度折减版是在RFPA2D-Basic二维基本版的基础上，将强度折减的原理引入到真实破裂过程分析方法中推出的，能够为深入研究边坡的稳定性提供理论支持和指导[10-11]。边坡数值计算模型如图2，用数值试样模型来表示实际计算模型，模型边界采取底部和左侧固定，模型上部施加固定的静载荷以模拟自重应力。模型尺寸：50 000 mm×42 000 mm，剖面单元数500×420=210 000个。根据边坡现场提供的地勘资料，参照同类岩体的力学参数，边坡岩体及节理的计算参数如表1。

表1 模型计算参数

图2 边坡数值模型

2.2 数值分析结果

图3为边坡剖面渐进破坏过程中的剪切应力图和声发射过程图，基于强度折减后，边坡在第32加载步产生失稳破坏，经计算得到边坡稳定系数为1.471，说明目前边坡还处于稳定状态。图3(a)～(d)为边坡剪切应力演化，由图可知边坡初始应力集中出现在边坡脚至3条节理的长条带区域，尤以节理区域数值较大，随着强度的折减，节理区长条带开始出现破坏，并与坡顶岩体逐渐贯通形成明显的破坏区，下两层泥质白云岩之间也出现明显的应力集中，并开始向深部转移。图3(e)～(h)为边坡声发射演化，由图可知边坡初始破坏单元出现在3条节理中下部区域，主要表现为拉伸破坏，随着强度的折减，沿3条节理面指向坡顶岩体内部丛生出大量的拉伸破坏单元，尤以强风化带与中风化带分界面上出现较密集。在边坡岩体内部靠近下层泥质白云岩沿岩层倾向上也出现了较多的剪切破坏单元，进一步说明了自然边坡失稳也是沿着节理或者软弱带演化、扩展。因此，岩质边坡内部节理、岩层弱化带、强弱层接触区是边坡稳定性分析中需要考虑的重要影响因素。

图3 边坡典型剖面渐近破坏过程

3 边坡现场IMS微震监测

3.1 边坡微震监测系统的构建

微震监测是目前国内外广泛应用于矿山安全开采的监测技术手段，能够为矿山安全生产提供有力的保障。利用微震监测设备，在需要密切关注的边坡岩体内部安装微震传感器，探测动力扰动下内部微破裂所发出的弹性波，反演出震源发生的时间、位置、震级大小等，判断出边坡潜在失稳区域，实现边坡在施工过程中的稳定性监测及预报[12-15]。

边坡稳定性采用监测由澳大利亚IMS公司生产的矿山微震监测系统，主要包括6个加速度传感器、信号传输电缆、netADC(数模转换器)、netSP(数据处理器)、分析计算机等，监测系统基本组成如图4。

图4 边坡微震监测系统基本组成

8通道的传感器覆盖了边坡100 m×50 m×42 m的区域范围，能够对边坡岩体内部状态变化实施24 h连续监测，获取大量微震事件发生的时间、震源位置、误差、震级以及能量等震源参数。传感器安装在钻孔底部的硬岩上，孔口三维坐标由全站仪测得，钻孔方位角及倾角由地质罗盘仪测定，通过坐标反算可求得孔底三维坐标，传感器具体安装参数见表2。为使系统定位误差达到最小，传感器空间布置采用5个单分量传感器呈近似正五边形布置，三分量传感器布置在正五边形几何中心，如图5。

表2 传感器安装参数

图5 边坡三维模型及传感器布置

3.2 系统定位精度及灵敏度分析

为对微震监测系统布置方案的合理性进行评估，有必要进行系统精度和灵敏度分析。图6为IMS可视化软件Jdi分析出的边坡重点监测区域定位误差分布，图7为微震系统灵敏度分布，其中定位误差分布图上的数值表示定位精度，系统灵敏度分布图上的数值为里氏震级，无单位。由图6可知该微震监测系统在重点监测区域的定位精度最高达5 m左右，整体精度控制在14 m范围内，微震系统灵敏度能达到里氏震级 -2.2～-3.3范围内。定位精度与系统灵敏度能满足边坡现场的安全监测要求，因此，可认为该监测系统的方案布置较合理。

图6 重点监测区域定位误差分布

图7 系统灵敏度分布

3.3 微震事件位移分布

图8为RFPA计算剖面所对应区域的位移变化云图。由图8可以看出，岩体内部微破裂产生的位移主要集中在边坡4级马道中部至3级马道中部，并有向坡脚附近发展的趋势。结合现场施工情况分析，说明爆破震动对边坡四级台阶中间对应的内部岩体造成的损伤程度比较大，在此周围产生了比较大的位移，最大位移数值为2.56×10-4m，且有向四周发展扩大的趋势，建议后期的加固要重点考虑到这一点。

图8 微震监测位移云图

3.4 微震事件数与炸药用量关系

图9为2013年10月12—19日监测到的每日事件数与监测范围内边坡现场路面爆破炸药用量之间的关系。由图9可知每日的微震事件数量曲线与当日炸药使用量曲线整体上走势趋于一致。炸药使用量越多，造成边坡内部岩体损伤范围和程度就越大，微震活动性就相对频繁[16]。同时，也说明了目前边坡现场内部岩体的整体损伤程度较小，微震事件的产生绝大部分是由于现场路面爆破扰动引起的。

图9 微震事件数与炸药用量之间的关系

4 数值模拟与现场监测结果对比

图10(a)为数值模拟出的边坡潜在滑移面，图10(b)为IMS监测出的微震事件在边坡岩体内的空间分布。图10(b)中，圆球代表微震事件，圆球大小代表微震能量，圆球越大即能量越大，由图10可知爆破诱发了边坡内部岩体呈条带状分布的大量微震事件，微震事件主要集中在三级台阶和四级台阶对应的岩体内部节理区域，且有向坡脚延伸发展的趋势。对比分析数值模拟与现场IMS监测结果，两者在整体上具有良好的一致性，但由于RFPA数值模拟分析只能计算出静应力作用下的边坡失稳破坏过程，无法考虑到外界动力扰动对边坡整体稳定性的影响，所以在局部范围有所差别。但无论是微震监测结果还是数值分析结果都直观地显示了岩体内部弱化带是控制边坡岩体整体稳定性的主要因素。目前，边坡内部微震事件产生的位移较小，能量较大的事件主要集聚在4级马道周围,但有向四周贯通发展的趋势，这是后期监测的重点。从整体上看监测到的微震事件震级都比较小，说明现在边坡还处于安全状态。但是从局部上来看，边坡4级和3级马道对应内部岩体能量损失相对较大，坡脚中央内部岩体次之，2级和1级马道对应内部岩体最小。

图10 数值模拟滑移面与微震事件空间分布对比

5 结 论

1)静应力作用下，通过选取边坡典型剖面进行RFPA数值模拟分析，经强度折减后，边坡在内部3条节理形成的长条带区域出现了大量的破坏单元，其中以拉伸破坏为主，并逐渐向坡顶贯通，形成潜在的滑移面。经计算边坡稳定性系数为1.471，目前还处于稳定状态。

2)由微震监测结果可知，爆破诱发了边坡内部呈长条带状分布的大量微震事件，其产生的位移主要集中在边坡4级马道至3级马道对应的岩体内部，最大位移值为2.56×10-4m，并有向坡脚附近发展的趋势，后期的加固应重点考虑到这一点。

3)对比分析RFPA数值模拟与现场IMS微震监测结果，可以看出两者在整体上具有良好的一致性，且都直观显示了岩体内部结构特征是影响边坡稳定性的主控因素。

[1] 徐奴文,唐春安,周钟,等.岩石边坡潜在失稳区域微震识别方法[J].岩石力学与工程学报,2011,30(5):893-900. Xu Nuwen,Tang Chun’an,Zhou Zhong,et al.Identification method of potential failure regions of rock slope using microseismic monitoring technique [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(5):893-900.

[2] 杨天鸿,张锋春,于庆磊,等.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势[J].岩土力学,2011,32(5):1437-1444. Yang Tianhong,Zhang Fengchun,Yu Qinglei,et al.Research situation of open-pit mining high and steep slope stability and its developing trend [J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(5):1437-1444.

[3] 王俊杰,邱珍峰.金佛山水利工程左岸岩质高边坡稳定性分析[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2013,32(3):485-488. Wang Junjie,Qiu Zhenfeng.Stability analysis of high rock slope on left bank of Jinfoshan hydraulic engineering [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Nature Science,2013,32(3):485-488.

[4] 崔志波,曹卫文,唐红梅.煤系地层公路高切坡稳定性评价[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(6):1108-1111. Cui Zhibo,Cao Weiwen,Tang Hongmei.Stability evaluation of high-cutting coal measure slope along highway [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(6):1108-1111.

[5] 徐奴文.高陡岩质边坡微震监测与稳定性研究[D].大连:大连理工大学,2011. Xu Nuwen.Study on Microseismic Monitoring and Stability Analysis of High Steep Rock Slope [D].Dalian:Dalian University of Technology,2011.

[6] 霍臻,陈翠梅,王正义.边坡稳定性声发射监测[J].工业安全与环保,2007,33(5):33-35. Huo Zhen,Chen Cuimei,Wang Zhengyi.Acoustic emission detection on the stability of slope [J].Industrial Safety and Environmental Protection,2007,33(5):33-35.

[7] 田卿燕.块裂岩质边坡崩塌监测预报理论及应用研究[D].长沙:中南大学,2008. Tian Qingyan.Theory of Block Rockmass Slope Collapse Monitoring and Prediction and Its Application [D].Changsha:Central South University,2008.

[8] 李庶林.试论微震监测技术在地下工程中的应用[J].地下空间与工程学报,2009,5(1):122-128. Li Shulin.Discussion on microseismic monitoring technology and its applications to underground projects [J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009,5(1):122-128.

[9] 宋希贤,左宇军,王宪.动力扰动下深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的数值模拟[J].中南大学学报:自然科学版,2014,45(9):3158-3165. Song Xixian,Zuo Yujun,Wang Xian.Numerical simulation of pressure-released hole combined support with rock bolt in deep roadway surrounding rock [J].Journal of Central South University:Science and Technology,2014,45 (9):3158-3165.

[10] 唐春安,李连崇,李常文,等.岩土工程稳定性分析RFPA强度折减法[J].岩石力学与工程学报,2006,25(8):1523-1529. Tang Chun’an,Li Lianchong,Li Changwen,et al.RFPA strength reduction method for stability analysis of geotechnical engineering [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(8):1523-1529.

[11] 李连崇,唐春安,邢军,等.节理岩质边坡变形破坏的RFPA模拟分析[J].东北大学学报:自然科学版,2006,27(5):559-561. Li Lianchong,Tang Chun’an,Xing Jun,et al.Numerical simulation and analysis of deformation and failure of jointed rock slopes by RFPA-slope [J].Journal of Northeastern University:Natural Science,2006,27(5):559-561.

[12] 张银平.岩体声发射与微震监测定位技术及其应用[J].工程爆破,2008,8(1):58-61. Zhang Yinping.Rock-mass acoustic emission and micro-seismic monitoring and localizing technology and its application [J].Engineering Blasting,2008,8(1):58-61.

[13] 尹贤刚.试论基于微震监测技术研究大尺度岩体破坏机理的必要性及意义[J].矿业研究与开发,2013,33(6):31-33. Yin Xian’gang.Discuss of the significance and necessity of studying on the failure mechanism of large-scale rock mass based on micro-seismic monitoring technology [J].Mining Research and Development,2013,33(6):31-33.

[14] 张飞,刘德峰,张衡,等.基于IMS微震监测监测系统的微震事件定位精度分析[J].中国安全生产科学技术,2013,9(6):21-26. Zhang Fei,Liu Defeng,Zhang Heng,et al.Location accuracy analysis of the seismic events based on the IMS microseismic monitoring system [J].Journal of Safety Science and Technology,2013,9(6):21-26.

[15] 文排科,左宇军,唐波,等.IMS微震监测技术在边坡中的应用研究[J].化工矿物与加工,2014(12):42-46. Wen Paike,Zuo Yujun,Tang Bo,et al.Study on the application of IMS microseismic monitoring technology in the slope [J].Industrial Minerals and Processing,2014 (12):42-46.

[16] 刘建坡,石长岩,李元辉,等.红透山铜矿微震监测系统的建立及应用研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(1):72-77. Liu Jianpo,Shi Changyan,Li Yuanhui,et al.Studies on establishment and application of microseismic monitoring system in Hongtoushan copper mine [J].Journal of Mining & Safety Engineering,2012,29(1):72-77.

Influence of Microseismic Activity on Rock Cutting Slope

Gong Linhui1, 2, Wen Paike3, Tang Bo3, 4, Zhu Ya2

(1. Road Transportation Administrative Bureau of Wuchuan Autonomous County in Guizhou Province,Wuchuan 564300,Guizhou, China; 2. School of Civil Engineering , Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;3. School of Mining, Guizhou University, Guiyang 550025, Guizhou, China; 4. Renhuai Water Affairs Bureauin Guizhou Province,Renhuai 564500, Guizhou, China)

Focusing on a rock cutting slope located at Qingyang road in Gui’an new area of Guizhou province, the failure mechanism of slope was analyzed under static stress with RFPA2D-SRM software, in order to reveal the influence of microseismic activity occurring in inner rock masses on slope during excavation. Then the slope microseismic monitoring system was established by IMS monitoring equipment to monitor the law of microseismic activity of slope under the blasting vibration. Results show that the slope has a relatively high stability coefficient under static stress. The blasting vibration induces the occurrence of a large number of microseismic events in strip distribution in the internal slope. The maximum displacement which appears at the inner rock body of four-step sidestep of slope is 2.56×10-4m. And the potential slip surface of slope simulated by RFPA has good agreement with the spatial distribution characteristics of microseismic events on the whole.

road engineering; cutting slope; blasting vibration; numerical simulation; microseismic monitoring

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.13

2014-11-20；

2015-01-26

贵州省高层次人才科研条件特助经费项目(TZJF-2010年- 044号)

龚琳惠(1986—)，女，贵州务川人，助理工程师，主要从事道路工程方面的工作。E-mail：lin09210107@163.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)06-068-05